一种复合螺旋桨及其驱动方法与流程

本发明属于动力推进领域，具体地，涉及一种复合螺旋桨。

背景技术：

1、螺旋桨是指通过靠桨叶在流体中旋转，将转动的功率转化为推进力的装置。螺旋桨技术日渐成熟，被广泛应用于航空、船舶和能源领域。尤其近年来，无人机行业发展迅速，无人机在民事、军事领域的应用越来越多，发挥着越来越大的作用。多旋翼飞行器作为无人机设计的热点之一，具有结构简单、机动性好等特点，拥有着广阔的市场前景，近年来发展尤为迅猛。螺旋桨作为无人机最重要的推进力来源，市场对螺旋桨的效率和性能要求日益提高，现传统螺旋桨技术已趋近瓶颈，迫切需要一种新的推进技术。

2、直升机的旋翼可以看做一类特殊的螺旋桨，其除了提供升力外，还可以提供方向上的控制。直升机旋翼不断旋转，空气流过桨叶上表面，流管变细，流速加快，压力减小；空气流过桨叶下表面时，流管变粗，流速变慢，压力增大。这样以来桨叶的上下表面就形成了压力差，桨叶上产生一个向上的拉力。通过控制旋翼椎体向前后左右各方向的倾斜，可以获得不同方向的力。但现有直升机的旋翼机构设计过于复杂，存在结构重量大、可靠性低、噪声大等一系列问题。设计一款具备矢量控制能力的螺旋桨，对于提升飞行器性能是非常有益的。

3、螺旋桨在旋转过程中，与流体相对作用以改变流动，使流场在螺旋桨的上下表面形成压力差，进而产生推进力。在此过程中，桨叶受到流体阻力的作用，会在螺旋桨形成一个与转动方向相反的力矩，即反扭矩。该反扭矩会最终传递到机身上，需要通过其它外力进行抵消。多旋翼无人机的螺旋桨需要向不同的方向旋转，以抵消扭矩。直升机在机尾装一个垂直旋转的小旋翼，称之为尾桨，在原理质心的位置施加一水平力以平衡掉旋翼的反扭矩。此外还存在一些共轴双桨的设计，但这些设计或使机构更加复杂，或需增加更多的动力装置，从而导致重量和成本的上升。设计一款无反扭矩的推力装置，可以解决飞行器设计的一大难点。

技术实现思路

1、为解决上述至少一个问题，本发明提供了一种复合螺旋桨，包括主桨、若干个副桨和转动副。所述副桨分布在主桨周围，所述副桨与主桨之间通过转动副连接。

2、所述副桨的数量不做限定，优选地，所述副将的数量可以为三。

3、本发明提供的一种复合螺旋桨，其特征在于，所述副桨会跟随主桨转动，即副桨会绕着主桨的中心公转。

4、所述副桨在自转时与流体相互作用能产生推进力。

5、所述副桨在公转时，副桨的前行方向的来流，作用在副桨上，能够对副桨的推进力产生增益。

6、所述副桨产生的各种推进力，通过转动副传递到主桨上。

7、所述主桨在转动时，与流体相互作用，使流场在螺旋桨的上下表面形成压力差，进而产生推进力。

8、所述主桨旋转产生的推进力和副桨产生的推进力一起，构成复合螺旋桨的推进力。

9、所述副桨在旋转过程中，桨叶受到流体阻力的作用，会形成一个与转动方向相反的力矩，该力矩通过转动副传递到主桨上，使得主桨向反方向旋转。

10、所述所有副桨产生的反扭矩的合力矩，与主桨产生的反扭矩大小相等，方向相反，能够互相抵消。

11、本发明提供的一种复合螺旋桨，其特征在于，所述主桨与副桨的转动方向相反。所述复合螺旋桨在旋转方向上产生的各种扭矩可以互相抵消，不会传递到外部连接物。

12、需要说明的是，上述特征是指该复合螺旋桨相比于普通螺旋桨，存在可以不对外产生反扭矩的优点，但在特定情况下，如复合螺旋桨仍在调速未达到稳定状态，或者是其它需要复合螺旋桨提供旋转方向的力矩时，主桨与副桨产生的力矩也可以不完全抵消。

13、进一步地，可以通过分别控制不同副桨的转速，使不同副桨产生不同的推力，从而使其合力不经过复合螺旋桨的中心，从而提供垂直于旋转方向的倾转力矩，使得复合螺旋桨具备矢量控制的能力。

14、需要说明的是，本发明中所述的推进力是指螺旋桨产生的与旋转方向平行的力，在不同场景下可能被表述为升力、推力、拉力或者类似表述。

15、需要说明的是，本发明中所述的扭矩、反扭矩，是指螺旋桨旋转方向上的力矩，包括驱动力矩和流体反扭矩等。在无特别说明的情况下，也经常用力矩来表述扭矩。

16、所述主桨受到的流体反扭矩，是指主桨本身直接受到的水平阻力以及其它部分传递过来的水平阻力合成后在旋转方向上的反扭矩。

17、需要说明的是，本发明中所述的倾转力矩是指与旋转方向垂直的力矩。

18、一般的，作为一种螺旋桨，在不同的运动状态下，其还将受到与普通螺旋桨一样的各种作用力和力矩，如重力等，在此不做赘述。

19、本发明另一方面提供一种驱动所述复合螺旋桨的方法。

20、在本发明提供的一种驱动所述复合螺旋桨的方法中，所述转动副可以全部或者部分为有动力转动副。

21、所述有动力转动副，是指该转动副除了约束主桨和副桨的相对转动外，还能提供动力以驱动所述相对转动。

22、所述动力转动副可以为电机，燃机等可以提供动力的装置。

23、本发明提供的一种驱动所述复合螺旋桨的方法，其特征在于，通过所述有动力转动副，可以提供两个方向相反的力矩，分别作用在主桨和副桨上，从而使主桨与副桨发生相对转动。

24、所述驱动力矩作用在副桨上，驱动副桨发生自转，从而与流体相互作用。

25、所述副桨受到的流体反扭矩随着转速的增大而增大，当流体反扭矩的大小与驱动力矩大小相等，方向相反时，副桨在转动方向达到平稳，维持稳定的转速。

26、通过增大或者减小所述驱动力矩，可以实现对各个副桨转速的调控。

27、所述驱动反力矩驱动主桨发生反方向旋转，从而与流体相互作用。于此同时副桨被主桨带动，产生公转。

28、所述主桨受到的流体反扭矩随着转速的增大而增大，当流体反扭矩的大小与所有驱动反力矩之和大小相等，方向相反时，主桨在转动方向达到平稳，维持稳定的转速。

29、同理，当驱动力矩变小时，也会发生相反的变化，直至达到新的平衡。

30、本发明提供的一种驱动所述复合螺旋桨的方法，其特征在于，通过控制有动力转动副的转速，实现对复合螺旋桨推进力的控制。当需要提高推进力时，则同时增大各个转动副的转速；当需要降低推进力时，则同时减少各个转动副的转速。

31、所述不同副桨之间的转速可以不同，通过控制不同副桨产生不同转速，可以产生与旋转方向垂直的倾转力矩。

32、特殊的，通过控制特定方向的有动力转动副增大减速，控制反方向的有动力转动副减小转速，可以使不同方向的副桨有不同的转速，从而可以产生与旋转方向垂直的倾转力矩，实现矢量控制的效果。

33、本发明提供的一种驱动所述复合螺旋桨的方法，其特征在于，通过周期性地调整各个副桨的转速，使每个副桨在到达特定方向时转速增大，到达相反方向时转速降低，即可在整体上形成一个倾转力矩。

34、特殊地，当部分转动副为无动力转动副，或者是部分有动力转动副因故障等原因不提供动力时，该转动副对应的副桨不直接由转动副控制，但会在大桨的带动下公转，同时与流体发生作用，进而被动发生自转。

35、本发明提供的一种复合螺旋桨的驱动方法，具体步骤包括：

36、1.根据推力需求，根据对应关系确定副桨的转速；

37、2.根据传感器数据，判断推力是否过大或过小，通过负反馈调节修正转速，至推力符合需求；

38、3.根据矢量控制需求，确定倾转力矩的大小和方向，根据大小计算推力改变量，计算出不同位置副桨所需要的推力和转速改变量；

39、4.根据每一时刻每个副桨所在的位置，确定其所需要的转速的改变量；

40、5.每个副桨在基准转速的基础上叠加转速改变量后输出。

41、对于复合螺旋桨的流体力学计算模型如下。

42、m代表力矩，q代表水平方向的阻力，l是拉力，d是阻力，β代表副桨迎角，r代表叶素点的位置，cl代表副桨升力系数，cd代表副桨阻力系数，β2代表主桨迎角，cl2代表主桨升力系数，cd2代表主桨阻力系数，ω代表副桨角速度，v代表公转线速度，θ代表副桨和主桨直接的相对角度，r0代表副桨的半径，r代表主桨半径，c代表副桨的弦长，v0是上升速度，v1是副桨的轴向诱导速度，v2是副桨的周向诱导速度，v3是主桨的周向诱导速度，ρ代表流体密度，n是副桨的桨叶数量，n是主桨的桨叶数量。得到的副桨力矩的表达式与θ有关，由于主桨和副桨的相对角度实时变换，所以力矩也在不停变化，这里采用积分取平均的方式。由于复合螺旋桨的整体受力和力矩都达到平衡，所以主桨旋转产生的力矩和副桨共同产生的力矩可以相互抵消。

43、参照图6的来流方向和受力分析及图8的主桨副桨相对位置，副桨来流速度可表示为

44、

45、由上述公式还能导出小桨迎角β

46、

47、副桨的拉力和阻力可表示为下述公式。需要注意的是，拉力方向沿垂直桨叶方向，阻力方向沿桨叶反方向，并不是完全的竖直方向。

48、

49、

50、

51、

52、通过积分可以求得单个桨叶的拉力和阻力。主桨和副桨的多个桨叶拉力或阻力累加，分别得到主桨和副桨的拉力和阻力。

53、最终的推进力有

54、t＝lcosβ-dsinβ

55、以上公式可运用在主桨桨叶、副桨桨叶上，得到主桨桨叶推进力t主桨桨叶和副桨桨叶推进力t副桨桨叶

56、副桨桨叶受到的水平阻力由拉力的水平分量和阻力的水平分量组合而来。其受到的力矩由水平阻力对力臂的积分得到，化简后得到下述表达式。

57、

58、副桨桨叶力矩和副桨与主桨的相对位置有关。为计算方便，此处采用积分再取平均的方式。

59、

60、主桨力矩表示为下式。

61、

62、主桨和副桨力矩可以相互抵消。

63、m主桨＝nm副桨

64、复合螺旋桨整体受到的推进力如下式。

65、t总＝nt副桨+t主桨＝nnt副桨桨叶+t主桨

66、本发明具有的有益效果如下：

67、1、本发明提出了全新的复合螺旋桨概念，为螺旋桨的设计提供了一种新的选择。

68、2、本发明提供的复合螺旋桨，可以自身抵消反扭距，为飞行器的扭矩问题提供一种新的解决方案，有助于提高飞行器的性能。

69、3、本发明提供的复合螺旋桨，具备矢量控制能力，有助于提高航空器、航海器等的性能。

70、4、本发明提出的复合旋转方案提高了螺旋桨的气动效率，降低了能耗。